Etude Et Conception Dun Systeme Dinterco PDF [PDF]

Zitiervorschau

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REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR, UNIVERSITAIRE ET RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE LIBRE DES PAYS DES GRANDS-LACS (ULPGL) FACULTE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES APPLIQUEES (FSTA) DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE-INFORMATIQUE

B.P.368 GOMA Site web: www.ulpgl.net

ETUDE ET CONCEPTION D’UN SYSTEME D’INTERCONNEXION CENTRALE PHOTOVOLTAIQUESECTEUR SNEL

Travail de Mémoire présenté et défendu en vue de l’obtention du grade d’ingénieur Civil en Génie électrique. Option : Electro-énergétique Par : Serge KAMBILU KABANGO Dirigé par : Prof. Dr. Tech. BARAKA MUSHAGE Olivier

Juillet 2019

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Epigraphe

« Si vous voulez trouvez les secrets de l’univers, pensez en termes d’énergie, de fréquence, d’information et de vibration »

Nikola Tesla

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Remerciements

Avant tout à Dieu Le Tout-Puissant, pour le souffle de vie qu’il nous accorde et tous les bienfaits qu’il ne cesse d’accomplir à notre égard ; que la grâce lui soit rendue. A nos chers et aimables parents KAMBILU KALAMBU Jérôme et FURAHA KABANGO Onzemille qui m’ont toujours soutenu, motivé et encouragé tout au long de ma vie. Ensuite, nous tenons à adresser nos sincères remerciements au directeur de ce travail, le Professeur Dr BARAKA MUSHAGE Olivier pour son orientation et ses multiples conseils, accompagnement et pour toute la documentation qu’il a mis à notre disposition en vue de cette réalisation. Aux autorités académiques de l’ULPGL pour la formation qui me conduit à la réalisation de ce travail. Nous profitons également de cette occasion pour dire grand merci particulièrement à nos frères, sœurs et amis pour leur soutien tant moral que matériel. Il s’agit précisément de : NGOY Jadot, TSHIALA Josée, UWASE Edith, MANIRIHO Fabrice, KALAMBU Jerry, KAMBILU Akim, NYEMBA Salima, MPUTU Aicha et MASANKA Jasmine. Enfin, nous aimerions adresser aussi nos remerciements à nos camarades de promotion et compagnons de lutte ; et à tous ceux qui, de près ou de loin, ont contribué à la réussite de ce travail.

Serge KAMBILU KABANGO

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Résumé Cette étude a pour objectif de concevoir un système d’interconnexion d’un champ photovoltaïque avec le réseau de distribution SNEL basse tension. Ayant au centre de l’étude un système regroupant l’arrivée des panneaux, l’entrée des batteries de stockage, les charges à délester, les charges à secourir et le réseau, un algorithme de cadencement du système est proposé pour la bonne gestion de ces différentes parties. Une étude des composants utilisés et un choix de la méthode de poursuite du point de puissance maximale sont effectués. L’implémentation de la commande MLI et la vérification des résultats par simulation dans l’outil MATLAB/SIMULINK donnent des résultats concluants quant à l’injection de la puissance active au réseau.

ABSTRACT The purpose of this study is to design a system for interconnecting a photovoltaic array to the low voltage SNEL distribution network. Having at the center of study a system regrouping the arrival of photovoltaic panels, the entrance of the storage batteries, the delestable load, the load to be secured and the network, a system timing algorithm is proposed for a good management of these different parts. A study of the system components and a choice of the maximum power point tracking method are performed. The implementation of the PWM command and the verification of the results in the MATLAB/SIMULINK tool give conclusive results as for the injection of the active power to the network.

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Sigles et abréviations AC : Alternating Current (Courant Alternatif) DC : Direct Current (Courant Continu) MLI : Modulation de largeur d’impulsion MPPT : Maximum Power Point Tracking PV : Photovoltaïque PWM : Pulse Width Modulation RDC : République Démocratique du Congo SNEL : Société Nationale d’Electricité

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INTRODUCTION GENERALE Avec l’évolution de la technologie, les besoins en énergie électrique ne cessent de croitre chaque année, ce qui fait que l’on développe sans cesse des moyens de production de l’énergie électrique. Néanmoins, il y a des contraintes liées à cette production : primo la rareté des ressources fossiles (charbon, pétrole et gaz) et fissile (uranium,…), et secundo l’utilisation massive de ces combustibles conduit à un sérieux réchauffement climatique dû à l’émission des gaz à l’effet de serre et à une pollution atmosphérique globale qui ont un effet négatif majeur sur la vie terrestre. D’où le recours aux énergies propres et renouvelables, essentiellement l’énergie solaire, géothermique, éolienne, la biomasse et l’hydroélectricité de petite envergure. L’énergie solaire, en particulier, est disponible partout sur le globe et est entièrement propre et renouvelable. Cette énergie, captée à l’aide d’un panneau photovoltaïque, constitue une alternative viable et durale pour la production de l’électricité. Elle est aussi dite renouvelable, car sa source (le Soleil) est considérée comme inépuisable à l’échelle du temps humain. En fin de vie, un panneau photovoltaïque aura produit 20 à 40 fois l’énergie nécessaire à sa fabrication et à son recyclage. Les panneaux solaires, bien qu’ils soient devenus de plus en plus performants, ont des rendements qui restent assez faibles, néanmoins les installations PV sont aujourd’hui prises sérieusement pour compléter la génération conventionnelle d‘énergie dans plusieurs pays industrialisés [1]. En RDC la production de l’énergie électrique est majoritairement hydroélectrique mais les besoins restent largement supérieurs aux ressources ; en particulier dans la ville de Goma, les habitants de la ville essayent de combler ce déficit énergétique, entre autre, par des systèmes solaires [2]. Une fois installés, et en présence du soleil, les panneaux solaires fonctionnent continuellement jusqu’à la fin de leur service et cela peu importe si l’utilisation est effective ou pas ; cela occasionne donc des pertes en cas de surproduction ou de non utilisation. Pour pallier à ce problème les installations PV peuvent être raccordées au réseau, ce qui représente une économie importante en investissement et en fonctionnement. Ce raccordement permet d’injecter le surplus de l’énergie produite au réseau, le réseau constitue alors un genre de stock d’énergie pour l’installation et pourra alimenter celle-ci en cas de besoin. La totalité de l’énergie produite est donc transformée en courant alternatif 220V ou 380V.

2 Néanmoins les installations PV raccordées au réseau de distribution peuvent causer les interactions, les impacts et les effets sur le réseau public de distribution. En outre, les caractéristiques intrinsèques du réseau et les perturbations causées par les défauts (courtcircuit,…) sont à l’origine du fonctionnement incorrect et des déconnexions intempestives des systèmes PV [3]. Dans la chaine PV l’onduleur on devra, au préalable, générer une onde de tension sinusoïdale qui réalise les conditions d’égalité fréquence, d’égalité de valeur efficace des tensions et de concordance de phase avec le réseau. Il devra aussi être capable de connecter directement le système au réseau, et cela dans le respect des conditions d’efficacité, de fiabilité et de sécurité du réseau. Enfin, il devra s’adapter au réseau ou avoir un minimum de tenue face à certaines perturbations de courte durée comme les creux de tension, etc. Pour que cela soit possible, le réseau quant à lui, doit fournir l’énergie en permanence ou du moins avoir un minimum de stabilité. Ce mémoire se propose de concevoir un système d’interconnexion-contrôle d’une centrale PV au réseau en basse tension (Secteur SNEL) avec une injection optimale de la puissance active au réseau. En regard de ce qui précède, quelques questions se posent :  Est-il possible de concevoir un dispositif capable de jouer le double rôle de la connexion au réseau et du contrôle d’un système PV ?  Quelle méthode de poursuite du point de puissance Maximum (MPPT) convient le mieux pour la commande du hacheur Boost en vue de l’injection de la puissance vers le réseau ?  Quel type de commande des interrupteurs électroniques convient pour l’onduleur de tension MLI ? Pour notre étude quelques hypothèses ressortent :  Il serait possible de concevoir un dispositif qui joue le double rôle de la connexion au réseau et du contrôle par la combinaison des algorithmes MPPT et de l’optimisation de la commande MLI des interrupteurs électroniques ;  La conception d’un algorithme de fonctionnement du système permettant le contrôle adéquat faciliterait cette étude ;  Pour la commande du hacheur Boost d’entrée du système : l’algorithme MPPT Perturbation et Observation (Perturb&Observe) sera utilisé ;

Pour y arriver notre travail se subdivise en 4 chapitres comme suit :

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Le premier chapitre va présenter l’état de l’art : Notions de bas sur les systèmes PV,

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Le deuxième chapitre va présenter les principes de l’interconnexion et de la commande de l’Onduleur, on y présentera aussi les différentes méthodes MPPT de commande du hacheur Boost d’entrée de l’Onduleur.

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Le troisième chapitre : on y présentera la conception et la modélisation du système et les caractéristiques du réseau ; et

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au quatrième et dernier chapitre, la simulation du système proposé sous l’environnement MATLAB / Simulink.

Après cette étude nous passerons à l’analyse et interprétation des résultats où nous exposerons les performances du système proposé par rapport aux systèmes existants et ainsi que ses limitations. Enfin, nous terminerons notre travail par une conclusion générale et perspective d’avenir.

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Chapitre 1. 1.1.

Notions de base sur le Photovoltaïque (PV)

Introduction

La production de l’électricité à partir de l’énergie solaire passe par deux principales filières : le solaire thermique qui exploite la chaleur ou l’énergie thermique contenue dans les rayons solaires, et le solaire photovoltaïque, qui transforme directement l’énergie contenue dans les particules de la lumière, les photons, en électricité : c’est la forme d’exploitation qui nous intéresse dans le cadre de ce travail. Dans ce chapitre, nous présentons le principe, les technologies ainsi que les applications des éléments qui interviennent dans la chaine photovoltaïque (cellule PV, convertisseur DC-DC et l’onduleur), de la cellule PV à la charge continue ou alternative en passant par la topologie des champs PV.

1.2.

Description du système PV

Définition : le terme « photovoltaïque » peut désigner le phénomène physique (découvert par Alexandre Edmond Becquerel en 1839) ou la technique associée. L’intérêt de cette technique est de convertir l’énergie du soleil directement en électricité [4].

1.2.1. Mécanisme de la production solaire PV : l’effet photovoltaïque Les photons présents dans le rayonnement solaire transportent l’énergie de celui-ci. Le principe d’une cellule photovoltaïque est donc de convertir cette énergie à travers un matériau semi-conducteur en énergie électrique. Ainsi, les propriétés diélectriques du semi-conducteur, généralement du silicium, font que l’énergie solaire est captée entraînant la mise en mouvement d’électrons dans le matériau [5]. 1.2.1.1.

La cellule PV

Une cellule photovoltaïque ou cellule solaire est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque. La puissance obtenue est proportionnelle à la puissance lumineuse incidente et dépend du rendement de la cellule. Celle-ci délivre une tension continue et un courant la traverse dès qu’elle est connectée à une charge électrique (en général un onduleur, parfois une simple batterie électrique) (voir figure 1.1).

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Figure 1-1. Schéma d’une cellule élémentaire [4].

Un cristal semi-conducteur dopé P est recouvert d'une zone très mince dopée N et d'épaisseur e égale à quelques millièmes de millimètre (mm). Entre les deux zones se trouve une jonction J. La zone N est couverte par une grille métallique qui sert de cathode K tandis qu'une plaque métallique A recouvre l'autre face du cristal et joue le rôle d'anode. L'épaisseur totale du cristal est de l'ordre du millimètre. Un rayon lumineux qui frappe le dispositif peut pénétrer dans le cristal au travers de la grille et provoquer l'apparition d'une tension entre la cathode et l'anode et si une charge est connectée à la cellule, elle peut provoquer la circulation d’un courant électrique (photocourant).

1.2.1.2.

Technologies des cellules PV

Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium et plus rarement d’autres semi-conducteurs sélénium de cuivre et sélénium d’indium (Culn(Se)2 et Culn(Se)2), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent généralement sous forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté. Les cellules sont souvent réunies dans des modules photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée (voir section module PV). Le rendement des modules en fonction des différentes technologies fait apparaître des écarts importants qui sont décrits dans le tableau suivant :

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Tableau 1-1: Rendement des modules en fonction des différentes technologies [4].

Technologie

Rendement Typique (%)

Rendement max. obtenu au laboratoire

Monocristallin

12-15

24

Poly-cristallin

11-14

18.6

Couche mince ou Amorphe

6 -7

12.7

La figure 1.2 montre un module PV de technologie monocristalline (à gauche) et un module de technologie poly-cristalline (à droite). La figure 1.3 montre un module PV avec couche amorphe.

Figure 1-2. Photos de cellules monocristallin et multi-cristallin (poly-cristallin) [8]

Figure 1-3. Cellule Amorphe

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1.2.2. Caractéristiques électriques d’une cellule PV Une cellule PV consiste en une jonction d’un semi-conducteur de type P et un semiconducteur de type N, qui est l’équivalent d’une diode (au silicium, par exemple). Les deux ont donc des propriétés électriques similaires. 1.2.2.1.

Modèle équivalent [6]

Dans le cas idéal, la jonction PN connectée à une charge peut être schématisée par un générateur de courant Iph en parallèle avec une diode. Sous obscurité (cf. figure 1.2), l’équation de la diode est donnée par :

𝐼𝑑 = 𝐼𝑠 ∙ [exp (

𝑞∙𝑉

𝑛∙𝑘∙𝑇

) − 1]

(1.1)

Où 

Is : courant de saturation inverse de la diode ;



q : la charge de l’électron (1.6 10-19 Coulomb) ;



k : la constante de Boltzmann (1.38 10-19J.K-1) ;



n : le facteur de non idéalité de la photopile (1< n > 10), le modèle de la cellule devient celui de la figure 1.5 [4].

Figure 1-6. Circuit équivalent standard

9 On a:

𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑝

Avec

𝐼𝑝 = 𝑅𝑝 =

𝑉𝑑

𝑉+𝑅𝑠∙𝐼 𝑅𝑝

(1.4) (1.5)

En substituant (1.1) et (1.4) dans (1.3) et sachant que Iph correspond Icc, on a :

𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 ∙ [exp (

𝑞∙(𝑉+𝑅𝑠∙𝐼) 𝑉+𝑅𝑠𝐼 ) − 1] − 𝑅𝑝 𝑛∙𝑘∙𝑇

(1.6)

Dans le cas idéal, bien entendu, on a Rs qui tend vers 0 et Rp qui tend vers l’infini. Ces résistances (Rs et Rp) donnent dans le cas réel une évaluation des imperfections de la diode ; en considérant que Rs présente une valeur faible et que Rs